CN116990326A - 一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，属于微波传感器技术，由介质基板、微带线、谐振结构、SMA接头焊盘、金属化通孔、控深安装孔、直插式SMA接头、固定螺丝、金属地层、射频同轴线和微波收发设备构成；其中，谐振结构为在金属地层上刻蚀的多条阿基米德螺旋线，由微带线进行馈电；固定螺丝将直插式SMA接头与SMA接头焊盘固定；固定螺丝头部嵌入介质基板，使传感器底部平整无凸起；传感器通过谐振频率的偏移和谐振品质因数的改变分别实现对金属网栅薄膜上各方向宽度亚毫米级裂纹破损的检测以及对高方阻样品的识别，检测灵敏度高，且传感器结构紧凑，体积小，响应速度快，可应用于对大面积金属网栅薄膜的无损检测中。
Description
技术领域
本发明属于微波传感器领域，主要涉及一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器。
背景技术
随着空间中电磁波强度日益增强以及应用波段不断展宽，使得电磁环境日益复杂化，因此在诸多领域中都提出了对电磁波屏蔽的要求。而对于航空航天装备领域的探测和观测所使用的光学仪器，在保证强电磁屏蔽性能的同时需要满足高透光性，使得传统电磁屏蔽材料无法应用。金属网栅薄膜作为一种透明导电膜，其生产成本低，制备工艺简单，目前已经在航空航天装备等领域的透明窗口电磁屏蔽中得到了应用。
金属网栅光学窗口应用于航空装备等领域，长期使用后会出现裂纹、破损甚至大面积脱落现象，使电磁屏蔽效率下降甚至完全失效。同时，暴露在空气中的氧化和腐蚀作用以及外力剐蹭，会导致金属网栅的导电率下降以及厚度降低，导致方阻增加、屏蔽效能降低。因此，急需开展相应的金属网栅无损检测技术，对金属网栅薄膜破损与方阻增加的现象进行评估。
然而，目前针对金属网栅薄膜无损检测技术的研究极少，专利201410131635.5“一种检测与识别金属网栅缺陷的方法”中，描述了一种基于光学成像和图像缺陷识别算法的检测方法。然而，该方法需要已知网栅结构的先验信息，且后续数据处理冗杂，整体检测效率低，无法对网栅方阻进行评估。同时，基于光学成像的方法存在对背景光要求较高的问题，在复杂背景下难以保证破损检出率。因此，需要一种能够提取缺陷物理场特性的金属网栅薄膜检测方法。
微波传感器具有体积小、灵敏度高、非接触式检测等优点，在金属表面裂纹检测、介质介电常数测量等方面具有应用潜力，关于该类传感器一些典型的研究工作如下：
1.专利202011591212.3“基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器”描述了一种测量介质材料复介电常数的微波传感器，该传感器引入了有源放大元件，提高了品质因数和检测灵敏度。该传感器采用端接SMA接头馈电，导致检测空间受限，不适用于检测大面积金属网栅薄膜。
2.专利202122725602.1“一种基于谐振偏移的微带金属裂纹检测传感器”描述了一种接触式测量的微波传感器，该传感器将待测金属作为缺陷地结构的补偿平面，在检测到裂纹时谐振频率发生偏移。该传感器为接触式检测，不适用于对金属网栅这类易划伤微纳金属结构的检测。
3.印度坎普尔理工学院的Govind Greeshmaja等人在论文“MicrowaveSubsurface Imaging of Composite Structures Using Complementary Split RingResonators”中提出了一种刻蚀有圆环形互补分裂谐振环结构的微波传感器，用于检测介电层和金属层组成的复合结构内部的亚表面缺陷，具有较高的检测灵敏度，然而该结构不具备全向角度裂纹检测能力。
4.中国科学技术大学的谢子朋在论文“A Simple High-Resolution Near-FieldProbe for Microwave Non-Destructive Test and Imaging”中提出了一种用于表面微小裂纹检测及成像的单端口传感结构，利用接有短微带线的微带圆环激励互补螺旋谐振器，可实现对大面积金属样品的裂纹缺陷检测，然而该传感结构谐振频率较低，用于金属网栅薄膜检测时谐振效果较差。目前，适用于金属网栅薄膜破损检测的微波传感器仍未见报道。
发明内容
为解决光学成像法检测效率低，在复杂背景下难以保证检出率，无法识别高方阻网栅的问题。本发明基于腔体微扰原理，设计了一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器。本传感器可以对大面积金属网栅薄膜上不同方向亚毫米宽度的裂纹破损与局部方阻的升高进行实时的定位与识别。
本发明的技术方案如下：
一种适用于金属网栅薄膜破损检测的微波传感器，包括介质基板、微带线、谐振结构、SMA接头焊盘、金属化通孔、控深安装孔、直插式SMA接头、固定螺丝、金属地层、射频同轴线和微波收发设备；该传感器为二端口传感器，介质基板、微带线、谐振结构、SMA接头焊盘、金属化通孔、控深安装孔、直插式SMA接头、固定螺丝、金属地层共同构成传感器的测头；介质基板正面印刷有两个圆环形的SMA接头焊盘，接头焊盘的外焊盘通过贯穿介质基板的金属化通孔与下方的金属地层保持电连接；固定螺丝将直插式SMA接头通过控深安装孔与SMA接头焊盘固定，固定螺丝头部嵌入介质基板，使传感器底部平整无突起；直插式SMA接头内外导体分别与SMA接头焊盘的内外焊盘接触；微带线通过直插式SMA接头外导体开槽，微带线宽度从SMA接头焊盘的内焊盘直径长度均匀过渡到50Ω特性阻抗对应微带宽度；谐振结构通过在介质基板背面的金属地层上刻蚀M条螺旋线构成，单条螺旋线方程为：
其中，s为螺旋线宽、w为相邻螺旋线间距、θ为螺旋终角；谐振结构由单螺旋线旋转M次得到，每次旋转角度为(360/M)°；介质基板与待测网栅表面平行，垂直距离0.1-1mm，以检测待测网栅的缺陷情况；微波收发设备通过射频同轴线与传感器测头相连，并对检测结果进行记录与显示。
作为一种优选结构，刻蚀螺旋线方程螺旋线宽s取值范围0.1-0.2mm，相邻螺旋线间距w取值范围0.1-0.2mm，螺旋终角θ取值范围为2π-4π，螺旋线条数M取值范围1-5。
作为一种优选结构，所述传感器可检测的金属网栅薄膜金属材料包括铜、铝、金、银；基底材料包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；金属网栅线宽范围1-20μm；金属网栅周期范围50-400μm，金属网栅厚度范围50-1000nm，金属网栅单元形状和排布方式包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
作为一种优选结构，所述传感器测头由标准PCB工艺制造，介质基板材料为高频PCB基板材料。
本发明具有以下优点及突出效果：
1.本发明提出的适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器采用由刻蚀多条阿基米德螺旋线得到的谐振结构，该结构能在近场区域产生较强的束缚电场，同时能够在金属表面形成均匀的感应电流，对各方向的裂纹破损均具有较高的检测灵敏度；同时该微波传感器相比于光学成像方法响应速度快，能够识别高方阻网栅，且无需后续数据处理环节，检测效率高，对于不同单元形状和排布方式的金属网栅薄膜具有检测通用性。
2.本发明提出的适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，采用直插式SMA接头，并设计了对应的焊盘，焊盘的外焊盘通过贯穿介质基板的金属化通孔与下方的金属地层保持电连接；固定螺丝将直插式SMA接头通过控深安装孔与SMA接头焊盘固定，固定螺丝头部嵌入介质基板，使传感器底部平整无突起；该设置避免了使用传统的端接SMA接头，扩展了传感器下方的检测空间，适用于对大面积样品的无损检测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明一种适用于金属网栅薄膜破损检测的微波传感器正面结构示意图。
图2为本发明一种适用于金属网栅薄膜破损检测的微波传感器背面结构示意图。
图3为实施例1的谐振结构示意图。
图4为实施例1检测金属网栅薄膜破损示意图。
图5为实施例1检测无缺陷金属网栅、有裂纹破损金属网栅与高方阻金属网栅时的传输特性变化曲线。
件号：图中1—介质基板，2—微带线，3—谐振结构，4—SMA接头焊盘，5—金属化通孔，6—控深安装孔，7—直插式SMA接头，8—固定螺丝，9—金属地层，10—射频同轴线，11—微波收发设备。
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：本发明的目的是这样实现的：本发明提出一种适用于金属网栅薄膜破损检测的微波传感器，包括介质基板、微带线、谐振结构、SMA接头焊盘、金属化通孔、控深安装孔、直插式SMA接头、固定螺丝、金属地层、射频同轴线和微波收发设备；该传感器为二端口传感器，图1为传感器正面结构示意图，传感器正面印刷有两个圆环形SMA接头焊盘，SMA接头焊盘的外焊盘通过贯穿介质基板的金属化通孔与背面的金属地层保持电连接；固定螺丝将直插式SMA接头通过控深安装孔与SMA接头焊盘固定，固定螺丝头部嵌入介质基板，使传感器底部平整无突起；直插式SMA接头内外导体分别与SMA接头焊盘的内外焊盘连接；微带线印刷在介质基板正面，两端分别连接两个焊盘；传感器背面结构示意图如图2所示，谐振结构通过在背面金属地层刻蚀M条阿基米德螺旋线构成，传感器检测原理为：当裂纹破损存在，电磁能量渗透到高介电常数衬底，导致谐振区域整体介电常数升高，根据微扰原理，谐振频率将下移；当金属网栅方阻上升，更多的电磁能量以热的形式损耗，导致谐振的品质因数降低。
为便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更清楚、完整的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1：
图3为实施例1中传感器谐振结构示意图，在该实施例中，谐振结构典型结构参数为：螺旋线宽s＝0.12mm，金属缝隙宽度w＝0.16mm，螺旋终角θ＝3π，螺旋线条数M＝5；该谐振结构在0.3mm提离距离条件下，检测无缺陷金属网栅薄膜时谐振频率为7.05GHz；图4为实施例1检测金属网栅薄膜破损示意图，使用矢量网络分析仪作为微波收发设备，具体检测步骤如下：首先设置矢量网络分析仪为扫频测量，扫频范围5-9GHz，测量参数为S21，对二端口进行开路-短路-匹配-直通校准后，将传感器二端口通过射频电缆连接至分析仪端口；将传感器固定在二维扫查机构上，保持谐振结构与待测金属网栅薄膜之间垂直距离为0.3mm，设置扫查机构运动轨迹为图4中的虚线遍历轨迹，建立网络分析仪与上位机之间的通信连接，实时采集分析仪的谐振频率和谐振频率处的幅值。
本发明的效果可通过图5进一步说明：
当上述实施例检测到宽度0.6mm，长度6mm的裂纹破损时，谐振频率由7.05GHz变化到6.58GHz，谐振频率下降470MHz；当待测网栅方阻增加为原来的2倍时，谐振曲线品质因数明显下降，谐振频率处传输幅值由-17.2dB增加到-8.6dB，以上结果说明上述实施例能够实现对亚毫米级宽度网栅裂纹的精确检测和对不同网栅方阻阻值的识别。
以上描述仅是本发明的1个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，包括介质基板(1)、微带线(2)、谐振结构(3)、SMA接头焊盘(4)、金属化通孔(5)、控深安装孔(6)、直插式SMA接头(7)、固定螺丝(8)、金属地层(9)，射频同轴线(10)和微波收发设备(11)，所述(1)-(9)共同构成传感器测头，其特征在于，介质基板(1)正面印刷有圆环形SMA接头焊盘(4)与微带线(2)，SMA接头焊盘(4)的外焊盘通过贯穿介质基板(1)的金属化通孔(5)与背面的金属地层(9)保持电连接；固定螺丝(8)将直插式SMA接头(7)通过控深安装孔(6)与介质基板(1)固定，固定螺丝(8)头部完全嵌入介质基板(1)中，使整体传感器底部平整无突起；直插式SMA接头(7)内外导体分别与SMA接头焊盘(4)的内外焊盘接触；微带线(2)通过直插式SMA接头(7)外导体开槽，微带线(2)宽度从SMA接头焊盘(4)的内焊盘直径长度均匀过渡到50Ω传输线阻抗对应微带宽度；谐振结构(3)通过在介质基板(1)背面的金属地层(9)上刻蚀M条螺旋线构成，单条螺旋线方程为：
其中，s为螺旋线宽、w为相邻螺旋线间距、θ为螺旋终角；谐振结构(3)由单螺旋线旋转M次得到，每次旋转角度为(360/M)°；介质基板(1)与待测网栅表面平行，垂直距离0.1-1mm；微波收发设备(11)通过射频同轴线(10)与传感器测头相连，并对检测结果进行处理与显示。
2.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，其特征在于：刻蚀螺旋线方程螺旋线宽s取值范围0.1-0.2mm，相邻螺旋线间距w取值范围0.1-0.2mm，螺旋终角θ取值范围为2π-4π，螺旋线条数M取值范围1-5。
3.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，其特征在于：所述传感器可检测的金属网栅薄膜金属材料包括铜、铝、金、银；基底材料包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；金属网栅线宽范围1-20μm，金属网栅周期范围50-400μm，金属网栅厚度范围50-1000nm，金属网栅单元形状和排布方式包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
4.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，其特征在于：所述传感器测头由标准PCB工艺制造，介质基板材料为高频PCB基板材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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